(57)【要約】【課題】微細化しても熱安定性を有するとともに低電流密度で磁気記録層の磁化の反転を可能にする。【解決手段】磁化の向きが固着された磁化固着層８と、磁化の向きが可変の磁化自由層１２と、磁化固着層と磁化自由層との間に設けられたトンネル絶縁層１０と、磁化固着層に対してトンネル絶縁層と反対側に設けられた第１反強磁性層６と、磁化自由層に対してトンネル絶縁層と反対側に設けられ第１反強磁性層よりも膜厚の薄い第２反強磁性層１４と、を備え、磁化自由層にスピン偏極した電子を注入することにより磁化自由層の磁化の向きが反転可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが固着された磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネル絶縁層と、前記磁化固着層に対して前記トンネル絶縁層と反対側に設けられた第１反強磁性層と、前記磁化自由層に対して前記トンネル絶縁層と反対側に設けられ前記第１反強磁性層よりも膜厚の薄い第２反強磁性層と、を備え、前記磁化自由層にスピン偏極した電子を注入することにより前記磁化自由層の磁化の向きが反転可能であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記磁化固着層は、第１磁性層／非磁性層／第２磁性層からなる積層膜であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記磁化固着層の磁化の向きと、前記磁化自由層の磁化の向きが０度より大きく４５度以下の角度をなしていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第１反強磁性層はＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎのいずれかであり、前記第２反強磁性層はＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、
前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第１配線と、
前記磁気抵抗効果素子の他端が電気的に接続される第２配線と、
を備えたことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の第１および第２磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、
前記第１および第２磁気抵抗効果素子のそれぞれの一端とそれぞれ接続される第１配線と、
前記第１磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第２配線と、
前記第２磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第３配線と、
を備え、前記第１配線から前記第２配線に向かう方向の前記第１磁気抵抗効果素子の層配置は、前記第１配線から前記第３配線に向かう前記第２磁気抵抗効果素子の層配置と逆となっていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項７】
前記メモリセルは、前記第１配線に、ソース／ドレインの一方が接続されるＭＯＳトランジスタを備えていることを特徴とする請求項５または６記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド、磁気センサーなどに用いられているとともに、固体磁気メモリ（磁気抵抗効果メモリ：ＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)）に用いることが提案されている。
【０００３】
ＭＲＡＭは、記憶素子として、一方が磁気記録層となり他方が磁化固着層となる２つの強磁性層間にトンネル絶縁層が挿入されたトンネル磁気抵抗効果素子(Tunneling Magneto-Resistance effect:ＴＭＲ素子）が用いられる。このＭＲＡＭは、高速で不揮発なランダムアクセスメモリとして注目されているが、電流磁界を用いる書込み方法では書込み電流の値が大きく大容量化が実現できないという問題がある。
【０００４】
これを解決するために、スピン注入法による書き込み方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このスピン注入方は、スピン偏極した電流を記憶素子の磁気記録層に注入することによって磁気記録層の磁化の向きを反転することを利用している。
【特許文献１】米国特許第６，２５６，２２３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、スピン注入法をＴＭＲ素子に適用した場合、トンネル絶縁層が絶縁破壊する等の素子破壊の問題があり、素子の信頼性に問題があった。また、最終的な目標としては、スケーラビリティを確保するために、微細化した時に熱揺らぎの影響を受けず、低電流密度で磁化の向きを反転することが可能な構造を実現できなければならない。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、微細化しても熱安定性を有し、低電流密度で磁気記録層の磁化が反転することが可能な磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固着された磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネル絶縁層と、前記磁化固着層に対して前記トンネル絶縁層と反対側に設けられた第１反強磁性層と、前記磁化自由層に対して前記トンネル絶縁層と反対側に設けられ前記第１反強磁性層よりも膜厚の薄い第２反強磁性層と、を備え、前記磁化自由層にスピン偏極した電子を注入することにより前記磁化自由層の磁化の向きが反転可能であることを特徴とする。
【０００８】
なお、前記磁化固着層は、第１磁性層／非磁性層／第２磁性層からなる積層膜であってもよい。
【０００９】
なお、前記磁化固着層の磁化の向きと、前記磁化自由層の磁化の向きが０度より大きく４５度以下の角度をなしていてもよい。
【００１０】
なお、前記第１反強磁性層はＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎのいずれかであり、前記第２反強磁性層はＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎのいずれかであってもよい。
【００１１】
また、本発明の第２の態様による磁気メモリは、上記のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第１配線と、前記磁気抵抗効果素子の他端が電気的に接続される第２配線と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第３の態様による磁気メモリは、上記のいずれかに記載の第１および第２磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、前記第１および第２磁気抵抗効果素子のそれぞれの一端とそれぞれ接続される第１配線と、前記第１磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第２配線と、前記第２磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第３配線と、を備え、前記第１配線から前記第２配線に向かう方向の前記第１磁気抵抗効果素子の層配置は、前記第１配線から前記第３配線に向かう前記第２磁気抵抗効果素子の層配置と逆となっていることを特徴とする。
【００１３】
なお、前記メモリセルは、前記第１配線に、ソース／ドレインの一方が接続されるＭＯＳトランジスタを備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、微細化しても熱安定性を有するとともに低電流密度で磁気記録層の磁化を反転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の断面を図１に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、ボトムピン型の磁気抵抗効果素子であって、下部電極２上に設けられた下地層４と、下地層４上に設けられた反強磁性層６と、反強磁性層６上に設けられ磁化が固着された強磁性層からなる磁化固着層８と、磁化固着層８上に設けられたトンネル絶縁層１０と、トンネル絶縁層１０上に設けられ磁化の向きが可変の強磁性層からなる磁化自由層（磁気記録層）１２と、磁化自由層１２上に設けられた反強磁性層１４と、反強磁性層１４上に設けられたキャップ層１６と、このキャップ層１６上に設けられた上部電極（図示せず）と、を備えている。そして、本実施形態においては、磁化自由層１２に接する反強磁性層１４の膜厚が磁化固着層８に接する反強磁性層６の膜厚よりも薄い構成となっている。
【００１７】
強磁性層と反強磁性層とからなる積層膜において強磁性層の膜厚を一定とし、反強磁性層の膜厚Ｔを、０ｎｍ、５ｎｍ、１５ｎｍとした場合の磁化曲線を図２のグラフｇ１、ｇ２、ｇ３にそれぞれ示す。図２からわかるように、反強磁性層の膜厚Ｔが厚い場合（Ｔ＝１５ｎｍ）は一方向異方性が生じ、薄い時（Ｔ＝５ｎｍ）は一方向異方性が生じないが反強磁性層がない場合（Ｔ＝０ｎｍ）に比べて保磁力が増大することが分かる。保磁力の増大は、微細化しても熱安定性が向上することを意味している。
【００１８】
したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子１においては、磁化自由層１２に接する反強磁性層１４の膜厚が磁化固着層８に接する反強磁性層６の膜厚よりも薄い構成となっているので、磁化固着層８は反強磁性層６によって磁化の向きが一方向異方性が付与され、磁化自由層１２は反強磁性層１４によって一軸異方性が付与されて熱安定性が向上する。
【００１９】
また、本実施形態のように、反強磁性層６を磁化固着層（ピン層）８に燐接して設け、反強磁性層１４を磁化自由層（フリー層）１２に隣接して設けることにより、磁化固着層８と磁化自由層１２との磁化（スピン）の向きのなす角度（相対角度）を０度または１８０度と異なるようにすることができる。磁化（スピン）の相対角度を０度または１８０度と異なるようにすると、図３に示したように、書き込み時のスピン注入反転効率、すなわちＭＲ比が上昇する。図３の横軸はピン層とフリー層のスピンの相対角度を正規化したものを示している。すなわち、横軸の値「０」は１８０度に対応し、値「１．０」は０度に対応している。図３より明らかなように、膜厚が厚い反強磁性層６で固着された強磁性層（磁化固着層）８の磁気モーメント（磁化）に対して、膜厚が薄い反強磁性層１４で固着された強磁性層（磁化自由層）１２の磁気モーメント（磁化）の角度θ（度）が、図３の横軸上の値で０．７５より大きく１より小さい範囲、すなわち０＜θ≦４５度の範囲あることが好ましい。なお、この角度θは相対角度であるから、磁化固着層８の磁化の向きを基準として、磁化自由層の磁化の向きが時計方向にあっても、反時計方向にあっても上記範囲にあればかまわない。
【００２０】
磁気モーメント（スピンモーメント）を傾ける方法としては、反強磁性層６、１４の材料を異なるように選択するのが最も好ましい。厚い反強磁性層６としてＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、またはＩｒＭｎのいずれかを用い、薄い反強磁性層１４としてＦｅＭｎ、またはＩｒＭｎ、ＰｔＭｎを用いることができる。
【００２１】
反強磁性層の材料を異ならせるとブロッキング温度を変えることができる。例えば、厚い反強磁性層６にＰｔＭｎを、薄い反強磁性層１４にＦｅＭｎを用いる。すると、ＰｔＭｎのブロッキング温度が約３２０℃、ＦｅＭｎのブロッキング温度が約２００℃程度と異なるため、磁場中アニールで温度降下途中に３２０℃以下でまず磁化固着層８の磁化が固着される。磁化固着層８が十分固着された２５０℃以下の温度で、磁化自由層１２の磁化を傾けたい所望の角度の方向に印加磁界を傾ける。その角度は、磁化固着層８に対して膜厚が薄い反強磁性層１４で固着された強磁性層の磁気モーメントの角度が０＜θ≦４５度傾いていることが好ましい。磁化自由層１２に隣接したＦｅＭｎからなる反強磁性層１４は膜厚を薄くすれば一方向異方性ではなく、耐熱性を有する一軸異方性が付与されることになる。反強磁性層の組み合わせとしては、ＮｉＭｎとＩｒＭｎまたはＦｅＭｎの組、ＰｔＭｎとＩｒＭｎまたはＦｅＭｎの組、ＩｒＭｎとＦｅＭｎの組、などがあるが、この他にもいくつか例があり、ブロキング温度が異なる反強磁性体の組み合わせならばかまわない。また、同じ反強磁性材料を用いても反強磁性膜の膜厚を変えることでブロッキング温度を変えることができる。
【００２２】
また、後述する第２実施例で説明するように、薄い反強磁性層１４にＦｅＭｎを用いると、スピン反射の項の増大およびダンピング定数の項が小さくなるため、より小さな電流密度でスピン注入磁化反転が実現できることを本発明者達は見出した。また、Ｉｒ−Ｍｎを用いてもスピン反射の項が増大し、低電流密度化により有利に働く。
【００２３】
本実施形態の磁気抵抗効果素子において、磁化自由層１２の磁化の向きが磁化固着層８の磁化の向きに対して０度より大きく４５度以下の角度をなしている状態（以下、磁化の向きが平行（同じ向き）状態とも云う）から、磁化自由層１２の磁化の向きが磁化固着層８の磁化の向きに対して相対的に１３５度以上１８０度より小さい角度をなしている状態（以下、磁化の向きが反平行（逆の向き）状態）にスピン反転させる場合は、スピン偏極した電子を磁化自由層１２側から注入する。すなわち、電流を磁化固着層８側から磁化自由層１２へ流す。
【００２４】
これに対して、磁化自由層１２の磁化の向きが磁化固着層８の磁化の向きに対して反平行状態から平行状態にスピン反転させる場合は、スピン偏極した電子を磁化固着層８側から注入する。すなわち、電流を磁化自由層１２側から磁化固着層８へ流す。
【００２５】
なお、本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、ボトムピン型であったが、図４に示す本実施形態の第１変形例のように、トップピン型の磁気抵抗効果素子１Ａであってもよい。このトップピン型の磁気抵抗効果素子１Ａは、下部電極２上に下地層４が設けられ、下地層４上に反強磁性層１４が設けられ、反強磁性層１４上に磁化自由層（磁気記録層）１２が設けられ、磁化自由層１２上にトンネル絶縁層１０が設けられ、トンネル絶縁層１０上に磁化固着層８が設けられ、磁化固着層８上に反強磁性層６が設けられ、反強磁性層６上に、キャップ層１６が設けられ、このキャップ層１６上に上部電極（図示せず）が設けられた構成となっている。
【００２６】
次に、本実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子１Ｂを図５に示す。この第２変形例による磁気抵抗効果素子１Ｂは、図１に示す本実施形態のアップピン型の磁気抵抗効果素子１において、磁化固着層８が磁性層８ａ／非磁性層８ｂ／磁性層８ｃの積層膜、すなわちシンセティックな構造となっている。このように、磁化固着層８をシンセティックな構造とすることにより、磁化の安定性がより増すことになり、より好ましい。
【００２７】
また、本実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子１Ｃを図６に示す。この第３変形例の磁気抵抗効果素子１Ｃは、図４に示すトップピン型の第２変形例の磁気抵抗効果素子１Ａにおいて、磁化固着層８を、シンセティック構造の積層膜、すなわち磁性層８ａ／非磁性層８ｂ／磁性層８ｃの積層膜８に置き換えた構成となっている。この第３変形例の磁気抵抗効果素子１Ｃも第２変形例と同様に、磁化の安定性がより増すことになる。
【００２８】
本実施形態の第１乃至第３変形例も本実施形態と同様に、微細化しても熱安定性が向上するとともに、スピンの反転効率を大きくすることが可能となる。
【００２９】
本実施形態およびその変形例において、磁気抵抗効果素子の磁性層（強磁性層）としては、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金または、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｂ）、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｂ）−（Ｐ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｍｎ）系またはＣｏ−（Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ）膜などのアモルファス材料、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ａｌ系、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｍｎ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｍｎ−Ａｌなどのホイスラー材料からなる群より選ばれる少なくとも１種の薄膜またはそれら多層膜で構成される。なお、記号（  ，  ）は括弧内の元素を少なくとも１つ含むことを意味している。
【００３０】
本実施形態およびその変形例において、磁化固着層としては一方向異方性を、磁化自由層（磁気記録層）としては一軸異方性を有する強磁性層であることが望ましい。またその厚さは０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。さらに、この強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることがより望ましい。
【００３１】
また、これら強磁性層を構成する磁性体には、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｂ（ボロン）などの非磁性元素を添加して磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。
【００３２】
より具体的には、磁性層を一方向に固着する方法として、３層構造の積層膜を用いる。３層構造の積層膜としては、例えば、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｒｕ（ルテニウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｉｒ（イリジウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｏｓ（オスニウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｒｅ（レニウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｒｕ（ルテニウム）／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｉｒ（イリジウム）／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｏｓ（オスニウム）／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｒｅ（レニウム）／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｒｕ（ルテニウム）／Ｃｏ−Ｆｅなど、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｉｒ（イリジウム）／Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｏｓ（オスニウム）／Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｒｅ（レニウム）／Ｃｏ−Ｆｅなどである。これら積層膜を磁化固着層として用いる場合は、さらに、これに隣接して反強磁性層を設けることが望ましい。この場合の反強磁性層としても、前述したものと同様に、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３などを用いることかできる。この構造を用いると、磁化固着層からの漏洩磁界(stray field)を減少（あるいは調節）でき、磁化固着層を構成する２層の強磁性層の膜厚を変えることにより、磁化自由層（磁気記録層）の磁化シフトを調整することができる。
【００３３】
また、磁気記録層として、軟磁性層／強磁性層という２層構造、または、強磁性層／軟磁性層／強磁性層という３層構造を用いても良い。磁気記録層として、強磁性層／非磁性層／強磁性層という３層構造、強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層という５層構造を用いてもよい。この際、強磁性層の種類、膜厚を変えてもかまわない。
【００３４】
特に、絶縁障壁に近い強磁性層にはＭＲが大きくなるＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、ＦｅリッチＮｉ−Ｆｅを用いトンネル絶縁層と接していない強磁性層にはＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ、ＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏなどを用いるとＭＲを大きく保ったまま、スイッチング磁界を低減でき、より好ましい。非磁性材料としては、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）、またはそれら合金を用いることができる。
【００３５】
磁気記録層においても、磁気記録層を構成する磁性体に、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。
【００３６】
さらに書き込み電流を小さくする方法としては、書き込みを行う磁気記録層が少なくとも２層の磁性層と少なくとも１層の非磁性層からなる多層膜からなり、非磁性層を介した上記磁性層間の相互作用が強磁性的であることを特徴とした磁気抵抗効果素子を用いることが好ましい。
【００３７】
また、磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ素子を用いる場合に、磁化固着層と磁化記録層との間に設けられるトンネル絶縁層（あるいは誘電体層）としては、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｂｉ２Ｏ３（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ２（酸化チタン・ストロンチウム）、ＡｌＬａＯ３（酸化ランタン・アルミニウム）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルニウム）などの各種の絶縁体（誘電体）を用いることができる。
【００３８】
これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁層（誘電体層）の厚さは、トンネル電流が流れる程度に薄い方が望ましく、実際上は、１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３９】
このような磁気抵抗効果素子は、各種スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の薄膜形成手段を用いて、所定の基板上に形成することができる。この場合の基板としては、例えば、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、スピネル、ＡｌＮ（窒化アルニウム）など各種の基板を用いることができる。
【００４０】
また、基板の上に、下地層や保護層、ハードマスクなどとして、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）、Ｔｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）、Ｔａ（タンタル）／Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタン）／Ｐｄ（パラジウム）、Ｔａ（タンタル）／Ｐｄ（パラジウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｏｓ（オスミウム）などからなる層を設けてもよい。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気メモリを図７に示す。この実施形態の磁気メモリは少なくとも１個のメモリセルを有し、このメモリセルは、ビット線３０とワード線４０との交差領域に設けられている。上記メモリセルは、図１に示す第１実施形態のボトムピン型の磁気抵抗効果素子１と、書き込み／読み出し兼用の選択トランジスタ６０とを備え、１ビットを形成している。選択トランジスタ６０はソース領域６１と、ゲート６２と、ドレイン領域６３とを備えている。磁気抵抗効果素子１の一方の端子は引き出し電極２０に接続され、他方の端子は金属ハードマスクまたはビア２５を介してビット線３０に接続される。引き出し電極２０は接続部５０を介して選択トランジスタ６０のソース領域６１に接続される。選択トランジスタ６０のドレイン領域６３にワード線４０が接続される。なお、選択トランジスタ６０は、絶縁膜からなる素子分離領域７０によって分離された、半導体基板の素子領域に形成される。
【００４２】
本実施形態の磁気メモリに係る磁気抵抗効果素子１の構成を図８（ａ）に示し、磁化固着層８の磁化（スピンモーメント）の向きと、磁気記録層（磁化自由層）１２の磁化の向きとの関係を図８（ｂ）に示す。この磁気抵抗効果素子１は、図８（ｂ）に示すように、磁化固着層８の磁化（スピンモーメント）の向きと、磁気記録層（磁化自由層）１２の磁化の向きが、０度より大きく４５度以下の所定の角度θをなしている。このため、第１実施形態で説明したように、スピンの反転効率を大きくすることが可能となる。また、この磁気抵抗効果素子１の膜面形状は図８（ｂ）に示すように、楕円形状となっている。
【００４３】
また、本実施形態の磁気メモリは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１を用いているため、第１実施形態と同様に、微細化しても熱安定性を向上させることができる。
【００４４】
次に、本実施形態の変形例による磁気メモリを図９に示す。この変形例の磁気メモリは、図７に示す磁気メモリにおいて、ボトムピン型の磁気抵抗効果素子１を図４に示す第１実施形態の第１変形例によるトップピン型の磁気抵抗効果素子１Ａに置き換えた構成となっている。本変形例による磁気メモリに係る磁気抵抗効果素子１Ａの構成を図１０（ａ）に示し、磁化固着層８の磁化（スピンモーメント）の向きと、磁気記録層（磁化自由層）１２の磁化の向きとの関係を図１０（ｂ）に示す。この磁気抵抗効果素子１は、図１０（ｂ）に示すように、磁化固着層８の磁化（スピンモーメント）の向きと、磁気記録層（磁化自由層）１２の磁化の向きが、０度より大きく４５度よりも小さい所定の角度θをなしている。このため、第２実施形態と同様に、スピンの反転効率を大きくすることが可能となる。また、第１実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ａを用いているため、第１実施形態の第１変形例と同様に、熱安定性を向上させることができる。
【００４５】
なお、本実施形態またはその変形例において、記憶素子として図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子１または図４に示す第１変形例の磁気抵抗効果素子１Ａを用いたが、図５に示す第２変形例による磁気抵抗効果素子１Ｂまたは図６に示す第３変形例による磁気抵抗効果素子１Ｃを用いても同様の効果を得ることができる。
【００４６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気メモリを図１１に示す。この実施形態の磁気メモリは、少なくとも１個のメモリセルを有し、このメモリセルは、ビット線３０１，３０２とワード線４０との交差領域に設けられている。上記メモリセルは、図１に示す第１実施形態のボトムピン型の磁気抵抗効果素子１１、１２と、書き込み／読み出し兼用の選択トランジスタ６０とを備え、１ビットを形成している。選択トランジスタ６０はソース領域６１と、ゲート６２と、ドレイン領域６３とを備えている。磁気抵抗効果素子１１の一方の端子は引き出し電極２０に接続され、他方の端子は金属ハードマスクまたはビア２５１を介してビット線３０１に接続される。引き出し電極２０は接続部５０を介して選択トランジスタ６０のソース領域６１に接続される。選択トランジスタ６０のドレイン領域６３にワード線４０が接続される。なお、選択トランジスタ６０は、絶縁膜からなる素子分離領域７０によって分離された、半導体基板の素子領域に形成される。また、磁気抵抗効果素子１２は、引き出し電極２０の、磁気抵抗効果素子１１が設けられた面と反対側の面に設けられ、一方の端子は金属ハードマスクまたはビア２５２を介して引き出し電極２０に接続され、他方の端子はビット線３０２に接続される。そして、磁気抵抗効果素子１２は、構成する層の引き出し電極２０からビット線３０２に向かう層配置（積層順序）が、磁気抵抗効果素子１１の引き出し電極２０からビット線３０１に向かう層の層配置（積層順序）と逆となるように構成されている。例えば、磁気抵抗効果素子１１が、引き出し電極２０側に磁化固着層８が形成され、ビット線３０１側に磁化自由層（磁気記録層）１２が形成されている構成であるならば、磁気抵抗効果素子１２は引き出し電極２０側に磁化自由層１２が形成され、ビット線３０２側に磁化固着層８が形成されている構成となっている。なお、ビット線３０２は図示していないが、方向を変えてビット線３０１と平行となるように配置されている。そして、ビット線３０１、３０２は図示しない差動増幅器に接続される。
【００４７】
このような構成としたことにより、引き出し電極２０を挟んだ上下の磁気抵抗効果素子１１、１２の差動読み出しすることが可能となり、読み出し速度を高速化することができる。
【００４８】
本実施形態の磁気メモリも、第２実施形態の磁気メモリと同様に、スピンの反転効率を大きくすることが可能となるとともに、熱安定性を向上させることができる。
【００４９】
なお、本実施形態において、記憶素子として図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子１を用いたが、図４に示す第１変形例の磁気抵抗効果素子１Ａ、図５に示す第２変形例による磁気抵抗効果素子１Ｂ、または図６に示す第３変形例による磁気抵抗効果素子１Ｃを用いても同様の効果を得ることができる。
【００５０】
なお、第２または第３実施形態の磁気メモリにおいては、磁気抵抗効果素子が記憶する情報を読み出すために上記磁気抵抗効果素子に流すセンス電流を制御するセンス電流制御回路、ドライバおよびシンカーがさらに具備されている。
【実施例】
【００５１】
次に、本発明の実施形態を、実施例を参照して更に詳細に説明する。
【００５２】
（第１実施例）
まず、本発明の第１実施例として、図５または図６に示す磁気抵抗効果素子１Ｂまたは１Ｃを作成した。この磁気抵抗効果素子の製造手順は、以下の如くである。
【００５３】
まず、サンプル１として図５に示すように、基板（図示せず）上に下部電極２／下地層４を形成し、ＴＭＲ膜として反強磁性層６／磁性層８ａ／非磁性層８ｂ／磁性層８ｃ／トンネル絶縁層１０／磁性層１２／反強磁性層１４／Ｒｕからなるキャップ層１６／ハードマスクからなる積層膜を形成し、パターニングすることにより磁気抵抗効果素子１Ｂを作製した。
【００５４】
また、サンプル２として図６に示すように、基板（図示せず）上に下部電極２／下地層４を形成し、ＴＭＲ膜として反強磁性層１４／磁性層１２／トンネル絶縁層１０／磁性層８ｃ／非磁性層８ｂ／磁性層８ａ／反強磁性層６／Ｒｕからなるキャップ層１６／ハードマスクからなる積層膜を形成し、パターニングすることにより磁気抵抗効果素子１Ｃを作製した。
【００５５】
本実施例では、サンプル１およびサンプル２として下部配線はＴａ／Ｃｕ／Ｔａが用いられ、下地層はＲｕが用いられる。サンプル１のＴＭＲ膜として、下側から順に、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（４ｎｍ）／ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＦｅＭｎ（５ｎｍ）が用いられ、サンプル２のＴＭＲ膜として、ＦｅＭｎ（６ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）が用いられている。なお、括弧内の数字は膜厚を示す。その後、サンプル１およびサンプル２のそれぞれに対して、３６０℃で磁場中アニール後、冷却時に２１０℃にて、磁化固着層となる磁性層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとのなす角度を２０度程度傾けた試料と、傾けない試料を作製した。素子サイズは微細加工により０．１×０．２μｍ２の接合サイズを有している。
【００５６】
図１２に、サンプル１でθ＝０度と２０度傾けた場合のスピン注入による磁化反転を測定した結果を示し、図１３に、サンプル２でθ＝０度と２０度傾けた場合のスピン注入による磁化反転を測定した結果を示す。図１２、図１３に示したように、θ＝２０度傾けた試料は、スピン反転するための電流密度が著しく低減されていることが分かる。このことは、図３に示すグラフから予想されることであり、傾き角θが０度より大きく４５度以下であればスピン反転するための電流密度は減少し、書き込み時の電流密度が低減される。このため、トンネル絶縁膜１０が破壊することを防止することができる。
【００５７】
（第２実施例）
本発明の第２実施例として、図５に示す磁気抵抗効果素子１Ｂにおいて、反強磁性層６と、反強磁性層１４の材料を変えて作製した。磁気抵抗効果素子１Ｂの作製方法は基本的には第１実施例と同様である。
【００５８】
まず、サンプル３、４として図５に示すように、基板（図示しない）上に、下部電極２／下地層４を形成し、ＴＭＲ膜として反強磁性層６／磁性層８ａ／非磁性層８ｂ／磁性層８ｃ／トンネル絶縁層１０／磁性層１２／反強磁性層１４／Ｒｕからなるキャップ層／ハードマスクからなる積層膜を形成し、パターニングすることにより磁気抵抗効果素子１Ｂを作製した。本実施例では、サンプル３およびサンプル４として下部配線はＴａ／Ｃｕ／Ｔａが用いられ、下地層はＲｕが用いられる。サンプル３のＴＭＲ膜として、下側から順に、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（４ｎｍ）／ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（２．５ｎｍ）／ＦｅＭｎ（５ｎｍ）が用いられる。また、サンプル４のＴＭＲ膜として、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（４ｎｍ）／ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（２．５ｎｍ）／ＩｒＭｎ（５ｎｍ）が用いられる。その後、３６０℃で磁場中アニール後、サンプル３は冷却時に２１０℃にて、サンプル４は、２７５℃にて角度を０度〜４５度程度傾けた試料と傾けない試料をそれぞれ作製した。素子サイズは微細加工により０．１×０．２μｍ２の接合サイズを有している構成となっている。
【００５９】
図１４に、サンプル３およびサンプル４でθを変化させた場合のスピン注入による磁化反転を測定した結果を示した。図１４の横軸は磁化固着層８の磁化の向きと磁化自由層１２の磁化の向きのなす角度θを示し、縦軸はスピン反転するための電流密度を示す。図１４からわかるように、θを傾けた試料は、サンプル３およびサンプル４ともスピン反転するための電流密度が著しく低減されていることが分かる。また、ＦｅＭｎを磁化自由層１２に隣接する反強磁性層１４として用いたサンプル３の場合の方が、反強磁性層１４としてＩｒＭｎを用いたサンプル４に比べてスピン反転するための電流密度が低減することが分かった。また、傾き角θ（度）が０より大きくなると、急激にスピン反転するため電流密度は減少し、０＜θ≦４５の時、書き込み時の電流密度が低減されていることが分かった。このため、トンネル絶縁膜１０が破壊することを防止することができる。
【００６０】
また、第２実施例においては、反強磁性層６としてサンプル３およびサンプル４では膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎを用い、反強磁性層１４としてサンプル３では膜厚５ｎｍのＦｅＭｎを、サンプル４では膜厚５ｎｍのＩｒＭｎを用いたが、サンプル３または４において、反強磁性層６として膜厚１０ｎｍのＩｒＭｎを用い、反強磁性層１４として膜厚５ｎｍのＩｒＭｎを用いてもよい。
【００６１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子を構成する強磁性体層、絶縁層、反強磁性体層、非磁性金属層、電極などの具体的な材料や、膜厚、形状、寸法などに関しては、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。
【００６２】
同様に、本発明の磁気メモリを構成する各要素の構造、材質、形状、寸法についても、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。
【００６３】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気メモリを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
【００６４】
以上詳述したように、本発明の各実施形態によれば、熱安定性を有し、スピン注入効率が良い、磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供でき、産業上のメリットは多大である。また、低電流密度でスピン反転することが可能となり、トンネル絶縁膜が破壊することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図２】磁化自由層と反強磁性層からなる積層膜の磁化曲線の反強磁性膜の膜厚依存性を示す図。
【図３】スピントルクの強さの、磁化自由層と磁化固着層の相対角度依存性を示す図。
【図４】第１実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図５】第１実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図６】第１実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図７】本発明の第２実施形態による磁気メモリを示す断面図。
【図８】第２実施形態の磁気メモリに用いられる磁気抵抗効果素子を示す図。
【図９】本発明の第２実施形態の変形例による磁気メモリを示す断面図。
【図１０】第２実施形態の変形例の磁気メモリに用いられる磁気抵抗効果素子を示す図。
【図１１】本発明の第３実施形態による磁気メモリを示す断面図。
【図１２】本発明の第１実施例による磁気抵抗効果素子のサンプル１の電流密度と抵抗との関係を示す図。
【図１３】本発明の第１実施例による磁気抵抗効果素子のサンプル２の電流密度と抵抗との関係を示す図。
【図１４】本発明の第２実施例による磁気抵抗効果素子のサンプル３，４の傾き角θと、電流密度との関係を示す図。
【符号の説明】
【００６６】
１  磁気抵抗効果素子
２  下部電極
４  下地層
６  反強磁性層
８  磁化固着層
１０  トンネル絶縁層
１２  磁化固着層
１４  反強磁性層
１６  キャップ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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